CN105222617A - 一种用于自然循环系统的低流阻换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自然循环系统的低流阻换热器，包括入口管箱(2)、入口管板(3)、传热管束、入口支撑板、出口支撑板、出口管板(6)和出口管箱(7)；所述传热管束分为入口收缩区、换热区和出口收缩区；该换热器是无壳式换热器；所述传热管束中的传热管(4)使用小管径管子；在入口收缩区和出口收缩区传热管束均向下倾斜，换热区传热管束基本水平设置，从而达到管程没有局部高点，不存气，低流动阻力，结构紧凑。

Description

一种用于自然循环系统的低流阻换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域,具体涉及一种用于自然循环系统的低流动阻力，结构紧凑的管式换热器。

背景技术

现有管壳式换热器一般由传热管、管板、封头、壳体、进出口管嘴等组成。传热管是基本传热元件，隔离冷热流体并传递热量。管板和封头使传热管汇集到进出口管嘴，壳体构成壳侧压力边界。冷热流体分别在管、壳侧流动换热。

现有管壳式换热器传热管一般采用直管或U型管，管束间距与管板孔间距相同。管嘴与封头(管箱)焊接位置无特殊要求。现有管壳式换热器针对强迫对流换热设计，壳侧流动阻力较大，占空空间大。自然循环系统的换热器要求流动阻力小，自然循环条件下换热器内不存留气体，不能导致自然循环停滞。同时对于核能系统，布置空间有限，要求换热器具有较高的紧凑型，因此一般的管壳式换热器不适用。

虽然现有技术中也有无壳换热器，如CN104662614A中也公开了一种无壳换热器，但这种无壳换热器仅仅是常规的换热器去掉了外壳，是用于常规有外界动力源的换热场合，其流阻很大。而在自然循环条件下为了尽可能小的影响流动效果，要求换热器的流阻要非常小，因此现有技术中的无壳换热器也完全不适于自然循环条件下。

发明内容

为解决目前换热器不能适用于核能自然循环系统所要求的布置空间有限、低流阻、自然循环条件下换热器内不存留气体等问题，本发明专利提供一种适用于自然循环系统的低流阻紧凑型换热器。该换热器具有非常小的流动阻力，换热器内无局部高点、自然循环条件下不存留气体，并且所需布置空间较常规换热器要小很多。

本发明所采用的技术方案是：传热管使用小管径管子(D≤10mm)。将传热管束分为入口收缩区、换热区和出口收缩区，换热区管间距较大(横向管间距PT/D>2，纵向管间距PL/D>2)，收缩区管间距逐渐减小，最终管板处管间距使管板孔桥满足管板强度要求即可(一般P/D>1.25)。通过设置收缩区，可保证管板及管箱(或封头)横截面尺寸不超过管束区横截面尺寸。按照换热管束中换热流体的流向，入口和出口收缩区管束均向下倾斜。管束可顺排或叉排布置，管束在两端的收缩可通过弯管、弯头等方法实现。管束中间设置支撑板，支撑板可为一整体，也可由条状支撑板焊接而成。

传热管分为换热区和收缩区，换热区管间距大于2倍管径；

入口收缩区管束向下倾斜，出口收缩区管束向下倾斜，换热区管束水平设置；

管束传热管在两端向管箱(或封头)汇集，可通过弯管、弯头等方法实现；

收缩区使管板及管箱尺寸不大于换热区管束的最大尺寸；

管束中间设置支撑板，支撑板可为一整体，也可有条状支撑板焊接而成；

进出口管箱(或封头)均有连接管嘴，入口管嘴位于入口管箱顶部，出口管嘴位于出口管箱底部；

换热器壳侧可设置耐压壳体，也可不设置耐压壳体。

本发明的有益效果是，与现有管壳式换热器及AP1000余热排出系统C型换热器相比，管束存在换热区和收缩区，换热区管束间距较大，可有效降低壳侧流动阻力，同时收缩区使管箱(封头)尺寸不大于管束横截面积，因此在相同布置空间下可充分利减小换热器。从入口管嘴到出口管嘴，依次经过入口管箱、进口收缩区管束、换热区管束、出口收缩区管束、出口管箱，流体流道一直向下倾斜，便于自然循环的进行，并且管侧自然循环工况时换热器内不会存留气体，不会使自然循环停滞。本发明专利特别适用于自然循环系统且对布置空间有较高要求的场合，如核电领域。

附图说明

图1是按照本发明一种实施方式的换热器的装配图，其中图1a是主视图，图1b是顶视图；

图2为图1a的A-A截面，显示支撑板及管束布置方式；

图3为图1a的B-B截面，显示管板及管板孔布置方式。

其中：1入口管嘴，2入口管箱，3入口管板，4传热管，5支撑板，6出口管板，7出口管箱，8出口管嘴，I入口收缩区管束，II换热区管束，III出口收缩区管束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是按照本发明的一种实施方式的换热器的装配图。本实施方式的换热器包括：入口管箱2、入口管板3、传热管束、入口支撑板、出口支撑板、出口管板6和出口管箱7。传热管束在入口管板3和出口管板6之间连续延伸，包括多根传热管4。为降低流阻，本发明的换热器中，传热管束中的传热管4使用小管径管子(如无特殊说明，本发明中的管径、或换热管的直径等术语按照本领域通常含义，均指管子的外径)。优选的，传热管外径D＝10mm。经过大量的精密计算和仿真模拟，申请人发现此数值的管径可以实现传热效果和管、壳侧低流阻的最佳适配。

图1a和图1b中，传热管束分为入口收缩区I、换热区II和出口收缩区III。入口管箱2和传热管束之间通过入口管板3连接，出口管箱7和传热管束之间通过出口管板6连接。在入口收缩区I和换热区II之间设置有入口支撑板，在换热区和出口收缩区III之间设置有出口支撑板，这样来实现对换热管束的固定，防止因为流体流动带来的振动，延长其使用寿命。

需要注意的是，本发明该换热器是无壳式换热器，在传热管束外没有承压管壳，如图1a和图1b所示。

为进一步降低流阻并实现换热器的紧凑性，从而方便用于空间有限的区域，本发明的传热管束并不是一直相互平行的。具体的，如图1a和1b所示，在入口收缩区传热管束向下倾斜，这样每两根相邻传热管之间的间距在入口收缩区内从入口管板3到入口支撑板逐渐线性增加，即沿着传热管内的流体的流动方向(以下如无特别说明，均按照这一方向进行描述)呈放射状散开；同时，在出口收缩区传热管束也向下倾斜，从而在每两根相邻传热管之间的间距在出口收缩区内从出口支撑板到出口管板6逐渐线性减小，亦即呈放射状收拢；而在换热区II之内，从入口支撑板到出口支撑板，传热管束水平设置且相互平行设置，横向管间距和纵向管间距均大于2倍的传热管的直径。而如上所述，在两个收缩区管间距逐渐减小，最终入口管板处和出口管板处的管间距使管板孔桥满足管板强度要求即可(一般管间距P/管径D>1.25，即横向管间距和纵向管间距均大于1.25倍的传热管的管径)。本发明通过设置收缩区，可保证管板及管箱(或封头)横截面尺寸不超过管束区横截面尺寸，这样整体结构紧凑，便于安装，又通过宽间距换热区的设置来保证了充分的换热效果和较低的流阻。

优选的，换热区传热管管束间距较大，具体例如可以是横向管间距PT/D＝4，纵向管间距PL/D＝4；而两端通过进、出口收缩区分别向进、出口管板汇集，管束间距逐渐减小，管板处管间距优选例如为P/D＝2.5，如图2和图3所示。

如常规的换热器一样，如图1a、1b所示，本发明的换热器在入口管箱2的顶部设置有入口管嘴1，在出口管箱7的底部设置有出口管嘴8。当然这样的顶部、底部也是按照换热流体的流动方向来说的，实际设置位置均在入口管箱和出口管箱的半球形封头上；这样的设置方式是本领域的常规方式，本发明并不试图对其进行改动，只是借助这两个部件来确定定位，对传热管束的倾斜方式进行描述

具体的，对于入口收缩区，在如图1a所示的主视图中，亦即是在入口管箱的入口管嘴1位于左上侧且出口管箱的出口管嘴8位于右下侧所决定的视图中，最上部的换热管基本水平向右，即和入口管板3的夹角基本为90度，而位于下部的换热管从上到下和入口管板3的夹角(如无特殊说明，按照本领域通常含义，这里的夹角指形成的锐角)依次减小，即从上到下换热管越来越倾斜；但是在图1b所示的顶视图中，亦即在入口管箱的入口管嘴1位于正面且出口管箱的出口管8嘴位于背面所决定的视图中，最中间的换热管基本水平向右，即和入口管板的夹角基本为90度，而位于最中间换热管上下两侧的其他换热管基本对称设置，且从中间到上下两侧和入口管板的夹角依次减小，即从中间到上下两侧换热管越来越倾斜。

整个换热器是旋转对称的。因此类似的，对于出口收缩区，在如图1a所示的主视图中，亦即是在入口管箱的入口管嘴1位于左上侧且出口管箱的出口管嘴8位于右下侧所决定的视图中，最下部的换热管基本水平向右，即和出口管板6的夹角基本为90度，而位于上侧的换热管从下到上和出口管板6的夹角依次减小，即自下向上传热管越来越倾斜；但是在图1b所示的顶视图中，亦即在入口管箱的入口管嘴1位于正面且出口管箱的出口管8嘴位于背面所决定的视图中，最中间的换热管基本水平向右，即和出口管板6的夹角基本为90度，而位于其上下两侧的换热管基本对称设置，且以从中间到上下两侧和出口管板6的夹角依次减小的形式在上下两侧倾斜，即从中间到上下两侧换热管越来越倾斜。

通过这样的倾斜设置，这样从入口管嘴到出口管嘴，依次经过入口管箱、进口收缩区管束、换热区管束、出口收缩区管束、出口管箱，流体流道一直向下倾斜，便于自然循环的进行，并且管侧自然循环工况时换热器内不会存留气体，不会使自然循环停滞。

优选的，本发明中传热管从入口收缩区到换热区的过渡通过弯头或弯管实现；类似的，换热区到出口收缩区的过渡通过也可以通过弯头或弯管实现。而设置在这些位置的入口支撑板和出口支撑板起到了定位、固定和支承的作用。

为进一步提高固定效果，在换热区的传热管束间还可以设置有至少2个支撑板。例如图1a、1b所示的3个。支撑板可为一整体，也可有条状支撑板焊接而成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于自然循环系统的低流阻换热器，包括入口管箱(2)、入口管板(3)、传热管束、入口支撑板、出口支撑板、出口管板(6)和出口管箱(7)；其特征在于：所述传热管束分为入口收缩区、换热区和出口收缩区；所述入口管箱和所述传热管束之间通过所述入口管板连接，所述出口管箱和所述传热管束之间通过所述出口管板连接，所述入口收缩区和换热区之间设置有入口支撑板，所述换热区和出口收缩区之间设置有出口支撑板；该换热器是无壳式换热器，在传热管束外没有承压管壳；所述传热管束中的传热管(4)使用小管径管子。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述传热管的管径小于等于10mm。

3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：在入口收缩区传热管束向下倾斜，每两根相邻传热管之间的间距在入口收缩区内从所述入口管板到入口支撑板逐渐线性增加；在出口收缩区传热管束向下倾斜，在每两根相邻传热管之间的间距在出口收缩区内从所述出口支撑板到所述出口管板逐渐线性减小；而在所述换热区，传热管束水平设置且相互平行设置，横向管间距和纵向管间距均大于2倍的传热管的管径。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于：在所述入口管箱的顶部设置有入口管嘴，在所述出口管箱的底部设置有出口管嘴。

5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于：所述在入口收缩区传热管束向下倾斜是：在入口管箱的入口管嘴位于左上侧且出口管箱的出口管嘴位于右下侧所决定的视图中，最上部的换热管基本水平向右，即和入口管板的夹角基本为90度，而其下侧的换热管以从上到下和入口管板的夹角依次减小的形式倾斜；在入口管箱的入口管嘴位于正面且出口管箱的出口管嘴位于背面所决定的视图中，最中间的换热管基本水平向右，即和入口管板的夹角基本为90度，而其上下两侧的换热管基本对称设置，且以从中间到上下两侧和入口管板的夹角依次减小的形式在上下两侧倾斜。

6.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于：所述在出口收缩区传热管束向下倾斜是：在入口管箱的入口管嘴位于左上侧且出口管箱的出口管嘴位于右下侧所决定的视图中，最下部的换热管基本水平向右，即和出口管板的夹角基本为90度，而其上侧的换热管以从下到上和出口管板的夹角依次减小的形式倾斜；在入口管箱的入口管嘴位于正面且出口管箱的出口管嘴位于背面所决定的视图中，最中间的换热管基本水平向右，即和出口管板的夹角基本为90度，而其上下两侧的换热管基本对称设置，且以从中间到上下两侧和出口管板的夹角依次减小的形式在上下两侧倾斜。

7.根据权利要求5或6所述的换热器，其特征在于：在所述入口管板和出口管板处，传热管束的横向管间距和纵向管间距均大于1.25倍的传热管的管径。

8.根据权利要求5或6所述的换热器，其特征在于：在所述换热区，传热管束的横向管间距和纵向管间距均等于4倍的传热管的管径；而在所述入口管板和出口管板处，传热管束的横向管间距和纵向管间距均等于2.5倍的传热管的管径。

9.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：从入口收缩区到换热区的过渡通过弯头或弯管实现；和/或从换热区到出口收缩区的过渡通过弯头或弯管实现。

10.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于：在换热区的传热管束间还设置有至少2个支撑板。